CN102502514A - 一种用于构建层叠结构式低温等离子反应体的单元模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于构建层叠结构式低温等离子反应体的单元模块，属于臭氧生产技术领域。单元模块中的上、下地电极中各设有水冷通道，上、下地电极的两侧分别形成工作表面。围框通过上、下地电极两端部的凸台固定，并被相邻地电极的凸台固定后包围形成封闭腔体；介质板的工作面通过支撑介质丝紧贴在地电极的工作面上，之间形成工作气隙。支撑介质丝、介质板和上、下高压电极组成两个高压组件，弹性介质充填物将两个高压组件压紧在相应的上、下地电极的工作表面上。高压端子固定在围框上，高压引线的两端分别与上、下高压电极和高压端子连接。本单元模块结构简约合理，提高了臭氧合成效率，而且长期密封可靠，整机重量轻，设备成本低。

Description

一种用于构建层叠结构式低温等离子反应体的单元模块

技术领域

本发明涉及一种用于构建层叠结构式低温等离子反应体的单元模块，更具体的说是涉及一种用于以介质阻挡无声放电(DBD)方式生产臭氧的大型设备的放电单元模块化结构，属于臭氧生产技术领域。

背景技术

臭氧发生器就是利用低温等离子技术环境生产臭氧的一种系统设备。臭氧在水处理、绿色化学氧化工业过程、杀菌消毒、医疗保健等领域里，都有着广泛的应用市场前景。

日本三菱电机CN1421380A、CN1421382A、CN1491884A等专利，其臭氧发生器的板式放电主体结构皆为钟罩式，即承压内腔作为气道的一部分，而将若干高、低压电极和介质板组成的放电单元叠放安装置于其中。此种结构的不足之处是体积难以紧凑化设计；且工作时只要其中一片发生故障就必须停车大揭盖进行维修操作，不利于系统稳定可靠性要求。且由于垂直安装，介质板和垫片所承受的压力，为紧固力与上面单元重力之和必将从上至下逐级增加，底层受力情况最为恶劣。介质材料承重设计制约着系统工作的可靠性和效率的提高。

专利申请公开号为CN200520124285的组合板式高频大型臭氧发生器技术，在基本结构模式和多个重要技术环节上，不但是对于传统管式臭氧发生器的重大变革，且开创了单元独立承压的先河，成为国内外臭氧发生器技术换代的里程碑。但是与今天所有技术的演进发展规律一样必然存在成长成熟的过程。存在的问题如下：

问题1、“地电极7两平面处贴附有陶瓷片介电体8”——由于电源所提供放电能量的绝大部分都变成热量，要使得臭氧合成/消解的平衡点推向于正反应一边以保证臭氧合成的持续和效率，需要由导热性能良好的铝合金水冷地电极将大量热能及时导出。然而此时所产生的全部热流却被地电极两端面所贴附的相对导热很差的“陶瓷片介电体8”所阻隔，加之二者之间粘合剂的热阻，故此结构难以得到最佳的散热效果，基于臭氧合成对温度条件敏感特点，所以这种结构使得臭氧合成效率难达理想。

问题2、从该组合式结构方式可以看出，放电气室所施的密封压力垂直于地电极平面，而端密封件13两端的垂直密封压力取决于密封弹性材料受压后的侧向弹性变形，这种为密封设计之避讳的于密封压力垂直面上的不连续性，大大降低了该密封结构的可靠性。

问题3、放电气室依靠大面积暴露在高浓度臭氧及强等离子轰击下的高分子材料结构密封，处于极端恶劣老化条件下的高分子材料本身寿命，使得臭氧发生器连续工作的可靠性和寿命都受到极大制约。

问题4、由于低温等离子体本身的良好导电导热的特点，已有垂直大面积良好导热通道，使得导热垫片的狭窄水平导热通道的结构导热效用大大降低，且耗费了大量材料能量资源，存在进一步改进的必要。

问题5、放电气室所施加的密封压力与保持放电气隙的压力同源，本身两者对于材质和性能的要求迥然，然而此结构却要求必须精致兼顾才能达到性能要求。这样对于大批量制造的工业产品的设计、生产和安装调试，都将是条件影响复杂和难以稳定控制的。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于构建层叠结构式低温等离子反应体的单元模块，以克服已有技术的缺点，改变已有板式臭氧发生器的结构，提高密封性能和单元模块的散热性能，以提高臭氧转换效率。

本发明提出的用于构建层叠结构式低温等离子反应体的单元模块，共有三种不同的结构，其中第一种结构为：包括上地电极、下地电极、围框、支撑介质丝、介质板、上高压电极、下高压电极、高压引线和高压端子；所述的上地电极和下地电极中各设有水冷通道，上地电极和下地电极的两端部分别带有凸台，在上地电极和下地电极的两侧分别形成工作表面；所述的围框通过上地电极和下地电极两端部的凸台固定在上地电极和下地电极之间，围框呈环状，被相邻地电极的凸台固定后包围形成封闭腔体，围框的两端分别设有进气道和出气道；所述的介质板的一侧为工作面，该工作面通过支撑介质丝紧贴在地电极的工作面上，介质板一侧的工作面与地电极的工作面之间形成工作气隙；所述的上高压电极和下高压电极分别紧贴在相应的介质板上；支撑介质丝、介质板和上、下高压电极组成上、下两个高压组件，上、下两个高压组件置于由上、下地电极和围框形成的封闭腔体中，封闭腔体中充满弹性介质充填物，弹性介质充填物将两个高压组件压紧在相应的上、下地电极的工作表面上；所述的高压端子固定在围框上，所述的高压引线的一端与上、下高压电极固定，另一端与高压端子连接。

其中第二种结构为，支撑介质丝、介质板和上、下高压电极组成上、下两个高压组件，上、下两个高压组件置于由上、下地电极和围框形成的封闭腔体中，封闭腔体中的两端充满弹性介质充填物，所述的上高压电极板和下高压电极板之间设有波形金属弹性薄板。其它部分的结构与第一种相同。

其中第三种结构为：支撑介质丝、介质板和上、下高压电极组成上、下两个高压组件，上、下两个高压组件置于由上、下地电极和围框形成的封闭腔体中，封闭腔体中的两端充满弹性介质充填物，所述的上高压电极板和下高压电极板的表面设有同极性的钕铁硼恒磁涂层，其它部分结构与第一种相同。

本发明提出的用于构建层叠结构式低温等离子反应体的单元模块，其优点是：

1、本发明的用于构建层叠结构式低温等离子反应体的单元模块中，高频高压电直接对金属地电极放电，狭缝气隙电离所产生的热量立即被金属地电极所吸收，并经水冷循环系统散掉，因此可以大大提高工作气隙电离的散热效能，提高了臭氧合成效率。

2、本发明的用于构建层叠结构式低温等离子反应体的单元模块中，上、下地电极与围框组装后形成的封闭腔体，由两个垂直于密封压力的连续完整的密封面所密封，密封面上所涂布的耐臭氧涂层加上密封压力，可有效防止臭氧泄露。而且密闭腔体内壁均为经过处理的耐臭氧的金属氧化物陶瓷，可避免将密封材料大面积同时暴露在高浓度臭氧和等离子轰击恶劣条件下。耐臭氧密封材料仅通过细微狭缝受到高浓度臭氧的缓慢渗透老化作用，因而大大增加了低温等离子发生体长期密封的可靠性。

3、本发明的用于构建层叠结构式低温等离子反应体的单元模块中，使用支撑介质丝取代垫片，可相对增大介质的板有效放电工作面积约25％左右，因此提高了设备的工作效率。

4、用本发明的单元模块构建层叠结构式低温等离子反应体时，单元模块之间的密封压力与放电气隙的维持压力，相互完全独立，简化了低温等离子反应体的生产安装的调试工作量。

5、本发明的用于构建层叠结构式低温等离子反应体的单元模块中，简化了已有单元模块的结构，在提高了处在高频高电压、高电功率密度、高浓度臭氧和紧凑水冷部件的单元模块的集成密度的同时减少了泄漏点数量，可以保证系统长期连续工作的可靠性和寿命，延长了设备维护周期。

6、本发明的用于构建层叠结构式低温等离子反应体的单元模块，其简约的结构设计也减少了零件品种数量和制造加工量，节约了材料用量，减轻了整机重量，降低质量保证难度，提高了生产效率，降低了生产成本。而且简约结构便于拆装操作，有利于降低设备在使用现场的维护操作难度。

附图说明

图1是本发明提出的用于构建层叠结构的低温等离子反应体的单元模块的结构示意图。

图2是图1的B-B剖视图。

图3是图1中地电极1中显示水道的C-C剖视图。

图4是图2中有关围框部分显示气体进出口的D-D剖视图。

图5是本发明低温等离子反应体的单元模块中的介质板、高压电极和支撑介质丝的结构关系示意图。

图6是本发明低温等离子反应体的单元模块中的介质板和高压电极相互重叠的结构示意图。

图7是图6的俯视图。

图8和图9分别是本发明单元模块的另外两种结构形式。

图1-图7中，1是上地电极，2是上、下地电极中的水冷通道，3是围框，4是高压端子，5是高压引线，6是支撑介质丝，7是工作气隙，8是介质板，9是上高压电极，10是弹性介质充填物，11是进气道，12是出气道，13是下地电极，14是下高压电极。15是波形金属弹性薄板，16是钕铁硼恒磁涂层。

具体实施方式

本发明提出的用于构建层叠结构式低温等离子反应体的单元模块，其结构共有三种，第一种结构如图1和图2所示，包括上地电极1、下地电极13、围框3、支撑介质丝6、介质板8、上高压电极9、下高压电极14、高压引线5和高压端子4。上地电极1和下地电极13中各设有水冷通道2，上地电极1和下地电极13的两端部分别带有凸台，在上地电极1和下地电极13的两侧分别形成工作表面。围框3通过上地电极1和下地电极13两端部的凸台固定在上地电极和下地电极之间，围框3呈环状，被相邻地电极的凸台固定后包围形成封闭腔体，围框3的两端分别设有进气道11和出气道12。介质板8的一侧为工作面，该工作面通过支撑介质丝6紧贴在地电极的工作面上，介质板8一侧的工作面与地电极的工作面之间形成工作气隙7。上高压电极9和下高压电极14分别紧贴在相应的介质板8上；支撑介质丝6、介质板8和上、下高压电极组成上、下两个高压组件，上、下两个高压组件置于由上、下地电极和围框形成的封闭腔体中，封闭腔体中充满弹性介质充填物10，弹性介质充填物10将两个高压组件压紧在相应的上、下地电极的工作表面上。高压端子4固定在围框3上，所述的高压引线5的一端与上、下高压电极9和14固定，另一端与高压端子4连接。

本发明低温等离子反应体的单元模块的一个实施例中，地电极可以由铝合金材料制成，中间均布有多条平行水冷通道，地电极的两端通过水冷通道和进出水口分别与外水管道系统相连接。如图3所示。地电极的工作面为金属或金属陶瓷膜，或贴覆不锈钢超薄板。地电极的加工是通过加工成俩个半槽的镜像结构再相对焊接制成。

本发明的低温等离子反应体的单元模块，其中的围框，其结构如图4所示，围框可以用铝合金材料制成，围框的相对两侧分别开有进气道11和出气道12，进、出气道11和12分别与外气管路系统相连。地电极两侧的工作平面凸起，便于研磨加工。地电极1和13的两端部的凸台在与围框3的装配和工作中起定位和密封作用。

本发明的低温等离子反应体的单元模块中，围框与相邻地电极的凸台固定后形成的封闭腔体的内表面为金属耐氧化处理膜层，以确保密封腔体的整体结构在高频高压电、等离子轰击和高浓度臭氧作用下长期工作的可靠性和寿命要求。

本发明的低温等离子反应体的单元模块中，上、下地电极与围框相接触的部分，为保证密封效果，装配时在密封面施加耐臭氧高分子材料涂层比如氟橡胶、硅橡胶涂料或膨体四氟乙烯，但由于缝隙暴露在臭氧气氛的面积极小，臭氧半衰期影响大于渗透速度，故可保证密封的长期有效。

本发明的低温等离子反应体的单元模块中，地电极1和13的凸台表面成为放电气隙工作面，放电所产生的热量可以由最短路径传导散热到冷却水中带走。凸台经过研磨平整并经过氧化处理产生微薄致密的氧化铝陶瓷膜层，并随着工作时臭氧和等离子的轰击氧化，使得氧化铝陶瓷膜不断后熟而致密。

本发明的低温等离子反应体的单元模块中，介质板8由高铝陶瓷板或超薄玻璃板板材制成，陶瓷介质板材需进行常规防潮处理，玻璃介质板需进行钢化强化处理。

为形成精密的放电气隙和气体通道，在介质板8的一面使用无机粘接剂粘接平行等距的、线径在0.1～0.5mm的支撑介质丝6，如图5、图6和图7所示，支撑介质丝6可以采用玻璃等硅酸盐材料。

在介质板8的另一面，通过电、化学沉积或真空蒸镀、磁控溅射等方法，形成高压电极1和13。两块介质板上的上、下高压电极通过焊接方法，使高压引线与其固定，经过围框3一侧的高压电极端子4，与外部的高频高压电源联通，如图1中所示。

上、下高压电极相对安置，并被耐臭氧的弹性介质充填物紧密包裹，由于弹性介质充填物的弹性力，将高压组件压紧到地电极的表面，在支撑介质丝的支撑下，形成精密放电气隙和气体通道，气体通道的两端，分别在弹性介质充填物弹性力的约束下与围框3两端的进、出气道紧密连接，并进一步与气源供气管和臭氧出气管连接。弹性介质充填物可以由蜂窝结构耐臭氧高分子弹性材料制成。例如蜂窝结构耐臭氧高分子弹性材料为硅橡胶、氟橡胶或膨化四氟乙烯。

本发明的低温等离子反应体的单元模块有利于装配成结构紧凑的低温等离子放电体，方便的组合成从1公斤到数百公斤各种规格臭氧发生器。

本发明的第二种结构，如图8所示，其中，支撑介质丝、介质板和上、下高压电极组成上、下两个高压组件，上、下两个高压组件置于由上、下地电极和围框形成的封闭腔体中，封闭腔体中的两端充满弹性介质充填物10。所述的上高压电极板和下高压电极板之间设有波形金属弹性薄板15。其它部分的结构与第一种相同。波形金属弹性薄板15使上高压电极板和下高压电极板通过介质板和支撑介质丝贴紧在地电极的工作面上。

本发明的第三种结构，如图9所示，其中支撑介质丝、介质板和上、下高压电极组成上、下两个高压组件，上、下两个高压组件置于由上、下地电极和围框形成的封闭腔体中，封闭腔体中的两端充满弹性介质充填物10。上高压电极板和下高压电极板的表面设有同极性的钕铁硼恒磁涂层16，其它部分结构与第一种相同。由于上高压电极板和下高压电极板表面的同极性磁性材料产生的相斥磁力，使上高压电极板和下高压电极板通过介质板和支撑介质丝贴紧在地电极的工作面上。

以下结合附图介绍本发明低温等离子反应体的单元模块的工作原理：

工作电源的高频高压电的能量，通过高压端子4和高压引线5，加载到高压电极9和地电极1之间，经过阻挡放电的介质板8增强后，在工作气隙7形成强电场，对由进气口11进到封闭腔体并通过工作气隙7的工作气体，进行无声电晕放电被电场所电离；如果通过的气体是氧气，则氧气分子被电离而后合成臭氧，经再经出气口12送到需要用臭氧进行氧化的工作现场。

电离放电的大部分能量都会转换成热量，而气隙温度的提高会大大抑制臭氧合成的效率，因此必须将放电电离产生的大量热量及时的经过金属地电极1内的水道4进行水冷循环散热，以保证工作气隙7内的臭氧合成过程的持续高效进行。

对于均匀电场的板式放电结构，工作气隙7越窄越有利于提高臭氧合成效率，但是工作气隙7越狭窄，其大平面积的高精确平行加工制造工艺越困难。本发明是通过将两个高压电极组件反相装置于由上、下地电极1和围框3装配在一起所形成的封闭腔体内，在由弹性充填材料10的产生的弹力作用及支撑介质丝6的支撑下，将高压电极组件压紧贴在地电极1的工作表面上，以此来保证所形成的狭窄的放电气隙7的大面积平行面的精确度。

紧凑单元模块内的高压高频电和高浓度臭氧都有封闭隔离的安全要求，高频高压电、高浓度臭氧和等离子轰击，都会影响弹性密封材料的工作寿命，因此减小弹性材料在该环境条件下的暴露面积是结构设计首要选择，本发明最大限度的实现了这点。

Claims (9)

1.一种用于构建层叠结构式低温等离子反应体的单元模块，其特征在于该单元模块包括上地电极、下地电极、围框、支撑介质丝、介质板、上高压电极板、下高压电极板、高压引线和高压端子；所述的上地电极和下地电极中各设有水冷通道，上地电极和下地电极的两平面部分别带有凸台，在上地电极和下地电极的两侧分别形成工作表面；所述的围框通过上地电极和下地电极两端部的凸台固定在上地电极和下地电极之间，围框呈环状，被相邻地电极的凸台固定后包围形成封闭腔体，围框的两端分别设有进气道和出气道；所述的介质板的一侧为工作面，该工作面通过支撑介质丝紧贴在地电极的工作面上，介质板一侧的工作面与地电极的工作面之间形成工作气隙；所述的上高压电极和下高压电极板分别紧贴在相应的介质板上；支撑介质丝、介质板和上、下高压电极组成上、下两个高压组件，上、下两个高压组件置于由上、下地电极和围框形成的封闭腔体中，封闭腔体中充满弹性介质充填物，弹性介质充填物将两个高压组件压紧在相应的上、下地电极的工作表面上；所述的高压端子固定在围框上，所述的高压引线的一端与上、下高压电极固定，另一端与高压端子连接。

2.一种用于构建层叠结构式低温等离子反应体的单元模块，其特征在于该单元模块包括上地电极、下地电极、围框、支撑介质丝、介质板、上高压电极板、下高压电极板、高压引线和高压端子；所述的上地电极和下地电极中各设有水冷通道，上地电极和下地电极的两平面部分别带有凸台，在上地电极和下地电极的两侧分别形成工作表面；所述的围框通过上地电极和下地电极两端部的凸台固定在上地电极和下地电极之间，围框呈环状，被相邻地电极的凸台固定后包围形成封闭腔体，围框的两端分别设有进气道和出气道；所述的介质板的一侧为工作面，该工作面通过支撑介质丝紧贴在地电极的工作面上，介质板一侧的工作面与地电极的工作面之间形成工作气隙；所述的上高压电极和下高压电极板分别紧贴在相应的介质板上；支撑介质丝、介质板和上、下高压电极组成上、下两个高压组件，上、下两个高压组件置于由上、下地电极和围框形成的封闭腔体中，封闭腔体中的两端充满弹性介质充填物；所述的上高压电极板和下高压电极板之间设有波形金属弹性薄板；所述的高压端子固定在围框上，所述的高压引线的一端与上、下高压电极固定，另一端与高压端子连接。

3.一种用于构建层叠结构式低温等离子反应体的单元模块，其特征在于该单元模块包括上地电极、下地电极、围框、支撑介质丝、介质板、上高压电极板、下高压电极板、高压引线和高压端子；所述的上地电极和下地电极中各设有水冷通道，上地电极和下地电极的两平面部分别带有凸台，在上地电极和下地电极的两侧分别形成工作表面；所述的围框通过上地电极和下地电极两端部的凸台固定在上地电极和下地电极之间，围框呈环状，被相邻地电极的凸台固定后包围形成封闭腔体，围框的两端分别设有进气道和出气道；所述的介质板的一侧为工作面，该工作面通过支撑介质丝紧贴在地电极的工作面上，介质板一侧的工作面与地电极的工作面之间形成工作气隙；所述的上高压电极和下高压电极板分别紧贴在相应的介质板上；支撑介质丝、介质板和上、下高压电极组成上、下两个高压组件，上、下两个高压组件置于由上、下地电极和围框形成的封闭腔体中，封闭腔体中的两端充满弹性介质充填物；所述的上高压电极板和下高压电极板的表面设有同极性的钕铁硼恒磁涂层；所述的高压端子固定在围框上，所述的高压引线的一端与上、下高压电极固定，另一端与高压端子连接。

4.如权利要求1、2或3所述的低温等离子反应体的单元模块，其特征在于上、下地电极与围框相接触的表面涂有氟橡胶、硅橡胶或膨体四氟乙烯。

5.如权利要求1、2或3所述的低温等离子反应体的单元模块，其特征在于地电极的工作面为金属或金属陶瓷膜，或贴覆不锈钢超薄板。

6.如权利要求1、2或3所述的低温等离子反应体的单元模块，其特征在于其中所述的弹性介质充填物由蜂窝结构耐臭氧高分子弹性材料制成。

7.如权利要求6所述的低温等离子反应体的单元模块，其特征在于其中所述的蜂窝结构耐臭氧高分子弹性材料为硅橡胶、氟橡胶或膨化四氟乙烯。

8.如权利要求1、2或3所述的低温等离子反应体的单元模块，其特征在于介质板为高铝陶瓷板或超薄玻璃板。

9.如权利要求1、2或3所述的低温等离子反应体的单元模块，其特征在于所述的高压电极的表面，涂覆有耐臭氧和耐爬电涂层或粘贴有超薄玻璃板。

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